船舶电气设备与系统 第一章.ppt

第一章电与磁 概述电工设备中发生的物理过程通常同时包含 电 和 磁 这两个紧密相连的现象 即电生磁 磁生电 例如在电路原理课程中讨论交流电路时所考虑的感应电动势 就是线圈中所链磁通随时间变化而引起的 不过当时我们用一个线性的电路参数 电感 来表达这个作用 仅从电路概念加以分析 本章重点阐述磁场基本概念和基本物理量 分析磁性材料的磁性能和磁路计算的基本定律 第一章电与磁 本章主要讲解内容第一节磁场的基本概念和基本物理量第二节铁磁材料的磁性能第三节磁路的基本概念第四节电磁感应 第一节磁场的基本概念和基本物理量 一 磁场的基本概念1 磁场与磁力线 1 磁场 当小磁针靠近永久磁铁时会发生偏转现象 这表明在永久磁铁的周围有一种物质存在 这一物质称为磁场 2 磁力线 磁场的分布情况用闭合磁力线来描述 在磁铁的外部 磁力线从N极出发 经外部空间进入S极 再由S极经磁铁内部回到N极而组成闭合回线 即磁力线是闭合的 返回本章 图1 1条形磁铁的磁场 返回 3 磁场方向l1曲线上a点的磁场方向即为a点切线l2的方向 4 磁场强弱磁力线的疏密反映了磁场各处磁性的强弱程度 靠近磁铁两端的磁力线密 磁场就强 远离磁铁两端的磁力线疏 磁场就弱 返回 2 电流的磁效应除了永久磁铁周围存在磁场外 当小磁针靠近通电导线 或通电导线绕成的螺旋管线圈 小磁针会发生偏转 这说明通电导线的周围和磁铁一样也存在着磁场 这种现象 称为电流的磁效应 磁场是由电流产生的 磁场的强弱及方向由通过导线的电流决定 a 通电直导体 b 通电螺线管线圈图1 2磁场与电流的方向 返回 2 电流的磁效应磁场方向的确定 a 右手握住直导体 拇指指向电流方向 则弯曲的四指的指向即为磁场方向 b 右手握住线圈 弯曲的四指指向电流方向 则拇指的指向即为螺旋管内部的磁场方向 二 磁场的基本物理量1 磁感应强度B磁感应强度B是表示磁场空间某点的磁场强弱和方向的物理量 是矢量 其定义式为 均匀磁场 如果磁场内各点磁感应强度的大小和方向均同 则称其为均匀磁场 均匀磁场可用疏密均匀 方向相同的磁力线来表示 本书若没有特别说明 都指均匀磁场 在均匀磁场中 I 通人导体的电流单位是安培 A f 电磁力 单位是牛顿 N l 导体长度 单位是米 m 2 磁通定义 磁通的定义是磁感应强度 假设磁场为均匀磁场 与垂直于磁场方向的面积的乘积定义式 3 磁场强度磁场强度是计算磁场所用的物理量 其大小为磁感应强度和导磁率之比 IN为电流与线圈匝数的乘积 称为磁动势 用字F表示F NI 磁势单位为A 4 磁导率 导磁系数 和相对磁导率 1 磁导率定义 表征各种材料导磁能力的物理量 定义式 B H H m 2 相对磁导率定义 一般材料的磁导率和真空中的磁导率之比 称为这种材料的相对磁导率 定义式 r 0 第二节铁磁材料的磁性能 为了在一定的的磁势作用下能激励较强的磁场 以使电机和变压器等电器设备尺寸缩小 重量减轻 性能改善 必须增加磁路的磁导率 所以电机和变压器的铁心常用磁导率较高的铁磁材料制成 下面对常用的铁磁材料及其性质作简要说明 返回本章 说明 1 高导磁性 a b 图1 3磁性材料的磁化 思考 磁畴 磁化 2 磁饱和性 图1 4磁化曲线图1 5与H的关系 非饱和段 oa ab段半饱和段 bc段饱和段 c点以后 图1 4 3 磁滞性如果励磁线圈中通入交变励磁电流 对铁心进行反复磁化 磁感应强的变化总是滞后于磁场强度的变化 这种现象称为磁滞现象 为消除剩磁所加的反向磁场强度值Hc称为矫顽力 图1 6磁滞回线 由实验可知 铁磁材料不同 其磁滞回线和磁化曲线也不同 图1 7中示出了几种铁磁材料的磁化曲线 按磁性物质的磁性能 磁性材料可以分成三种类型 软磁材料 永磁材料 矩磁材料 铁磁材料的类型 软磁材料具有较小的矫顽磁力 磁滞回线较窄 一般用来制造电机 电器及变压器等的铁心 常用的有铸铁 硅钢 坡莫合金及铁氧体等 铁氧体在电子技术中应用也很广泛 例如可做计算机的磁心 磁鼓以及录音机的磁带 磁头 永磁材料具有较大的矫顽磁力 磁滞回线较宽 一般用来制造永久磁铁 常用的有碳钢 钴钢及铁镍铝钴合金等 矩磁材料具有较小的矫顽力和较大的剩磁 磁滞回线接近矩形 稳定性良好 在计算机系统中可用作记忆元件 开关元件和逻辑元件 常用的有镁锰铁氧体及1J51型铁镍合金等 铁磁物质的磁性是与磁畴结构分不开的 当铁磁物质受到强烈的振动 或在高温下由于剧烈热运动影响 磁畴取向性容易混乱 这时与磁畴联系的一系列铁磁物质 如高导磁率 磁滞等 就会全部消失 因此 管理人员在维修和安装电机时 都应注意 注意啦 第三节磁路的基本概念 一 磁路在工程上 为了得到较强的磁场 广泛利用了铁磁物质 在电机 变压器 继电器 仪表等电器设备中应用铁磁物质制成一定的形状 即人为地造成磁通的路径 磁通主要在这部分空间内闭合 其周围则因导磁系数小得多而磁通极少 这种磁通的路径称为磁路 返回本章 磁路 图1 8 a 是永磁式 磁电式 仪表的磁路 图1 8 b 为电磁继电器的磁路 图1 8 c 为单相铁心式变压器的磁路 图1 8 d 为四极转枢式电机的磁路 图1 8几种常见磁路 几种常见的磁路 二 磁路的基本定律与磁路的特点磁路概念的建立 是基于铁磁物质的导磁系数大大地超过了非铁磁物质的导磁系数 然而 若以此与电路相比 在电路中 导电材料的电导系数一般比电路周围绝缘材料的电导系数大几千万倍以上 而磁路中的导磁材料的导磁系数一般不过比非磁性材料的导磁系数大几千倍 因此 在磁路中漏磁现象比电路中漏电的现象大为显著 把按照我们安排的路径而闭合的磁通称为主磁通 而把不按照这种路径闭合的磁通称为漏磁通 a b 图1 9磁路中的磁场分布 磁路定律磁路定律是由描述磁场性质的磁通连续性原理和安培环路定律导来的 图1 10有分支磁路的分配 1 磁路的基尔霍夫第一定律在磁路的分支处所连接着的各个铁梗中磁通的代数和应恒等于零 2 磁路的基尔霍夫第二定律磁路中沿任意闭合回路磁压的代数和等于沿该回路磁势的代数和 综上所述 磁路和电路有很多相似之处 与电路一样 计算磁路也是以磁路的基尔霍夫两条定律相似的定律为基础的 磁路的磁通 磁势 磁压 磁阻等量与电路中的电流 电动势 电压 电阻等量一一对应 而且 磁路的欧姆定律对应于电路的欧姆定律 另外必须指出 磁路和电路有一个本质的差别 即磁通并不像电流一样代表某种质点的运动 恒定磁通通过某磁阻并不像恒定电流通过电阻时那样具有能量形式的转换 会使电阻发热 恒定的磁通的维持不需要任何能量 与电路中的焦耳 楞次定律相似的磁路定律是不存在的 对比思考 三 恒定磁通无分支磁路的计算磁路的计算可以分为两类 1 已知磁通求磁势 2 已知磁势求磁通 在此我们仅讨论已知磁通求磁势 并且仅讨论无分支磁路 练习一下计算 无分支磁路中已知磁通求磁势 可以按照下列步骤进行 1 按照材料和截面的不同进行分段 2 作出中心线 按照所给尺寸计算出磁路各段的截面S1 S2 和长度l1 l2 3 按已知的磁通计算各个段落的磁感应强度 4 从各材料的B H曲线 基本磁化曲线 上按已算出的磁感应强度B1 B2 找出与它们相对应的磁场强度H1 H2 5 按照磁路的基尔霍夫第二定律求出所需要的磁势 当所给磁路中有空气隙时 则可应用空气的导磁率 0 4 10 7H m 由空气隙的磁感应强度B0计算其磁场强度H0 注意 第四节电磁感应 电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一 它揭示了电与磁相互联系和转化的重要方面 在电工技术中 运用原理制造的发电机 感应电动机和变压器等电器设备为充分而方便地利用自然界的能源提供了条件 在电子技术中 广泛地采用电感元件来控制电压或电流的分配 发射 接收和传输电磁信号 在电磁测量中 除了许多重要电磁量的测量直接应用电磁感应原理外 一些非电磁量也可用之转换成电磁量来测量 从而发展了多种自动化仪表 返回本章 你知道吗 一 电磁感应定律1 电磁感应现象1820年奥斯特的发现第一次揭示了电流能够产生磁 法拉第很快就想到磁能否产生电 精心地实验研究了10余年后 终于在1831年第一次发现了电磁感应现象 并总结出电磁感应定律 什么是电磁感应现象 产生电磁感应现象的条件是什么 如图1 12 图1 12线圈的感应电势 返回 2 电磁感应定律为了表述电磁感应的规律 以一匝线圈为例 如图1 13所示设在时刻t1穿过导线回路的磁通量是 1 在时刻t2穿过导线回路的磁通量是 2 那么 在这段时间内穿过回路的磁通量的变化是 则磁通量的变化率反映了磁通量变化的快慢和趋势 图1 13 法拉第电磁感应定律精确的实验表明 导体回路中感应电动势的大小等于穿过回路的磁通量的变化率 这个结论叫做法拉第电磁感应定律 即 1 17 式中的负号代表感应电动势方向 感应电动势的方向问题是法拉第电磁感应定律的重要组成部分 式 1 17 只适用于单匝导线组成的回路如果回路不是单匝线框而是多匝线圈 如果穿过每匝线圈的磁通量相同 均为 则 称为磁链或全磁通 则式 1 17 可表达为 说明 由愣次定律可知 感应电动势的方向总是使得其感应电流产生的磁通来阻止原有磁通量的变化 增加或少 即根据感应电流的方向可以说明感应电动势方向 感应电动势的方向 图1 14感应电动势方向的确定 返回 如图1 14 在图中把极插入线圈 可以看到磁棒插入过程中穿过线圈的向下的磁通量增加 根据右手定则可知 这时感应电流所激发的磁场方向朝上 其作用相当于阻止线圈中磁通量的增加 若线圈不动 磁铁向下运动 则通过线圈的磁通 1的方向向下 而且对线圈来说磁通是增加的 由楞次定律知线圈感应电流产生的磁通 2的方向与穿过它的磁铁磁通 1方向相反 再根据右手定则知感应电流i从线圈内部a流向b 而感应电动势eL的方向与其一致 由a经线圈内部指向b 而线圈两端的电压由b指向a如图1 14所示 感应电动势的确定一般情形下 感应电动势的大小和方向可由下式来决定 1 19 式中的负号体现了感应电动势eL的方向总是与磁通 的增量相关 三 自感系数当一线圈中的电流变化时 它所激发的磁场通过线圈自身的磁通量 或磁通匝链数 也在变化 使线圈自身产生感应电动势 这种因线圈中电流变化而在线圈自身所引起的感应现象通常叫做自感现象 所产生的电动势叫做自感电动势 如图1 17实验 a b 图1 17自感现象的演示 自感现象 1 21 1 22 1 23 式1 23相量图如图1 18所示 图1 18 由式1 23可以看出 对于相同的电流变化率 比例系数L越大的线圈所产生的自感电动势越大 即自感作用越强 比例系数L称为自感系数 简称自感 电感 根据式 1 21 和式 1 22 也有自感的两种定义 据式 1 22 自感在数值上等于线圈中电流强度变化率为1单位时 在这线圈中产生的感应电动势 或者 据式 1 21 自感在数值上等于线圈中电流强度为1单位时通过线圈自身的磁通匝链数 对式1 23的阐述 三 铁心线圈电路铁心线圈分为两种 1 通直流电励磁的直流铁心线圈 如直流电机的励磁线圈 电磁吸盘及各种直流电器的线圈 2 通交流电励磁的交流铁心线圈 如交流电机 变压器及各种交流电器的线圈 A 直流铁心线圈的磁路通直流电励磁的直流铁心线圈的磁路的分析比较简单 因为励磁电流是直流 产生的磁通是固定的 由式 1 22 知在线圈和铁心中不会感生电动势 在一定的直流电压U下 线圈中的电流I只和线圈本身的电阻R有关 即 这就是为什么交流线圈不能随意接直流电源的原因 直流铁心线圈的磁路 B 交流铁心线圈的磁路外加电压与磁通 的关系 转换为相量形式 注 1 在相位上 磁通 滞后于外加电压90 2 磁通的极大值 m取决于外加正弦电压的有效值与频率 交流铁心线圈的磁路 四 功率损耗与涡电流 图1 21涡电流 磁滞损耗 Ph 当铁磁体被反复磁化时 由于磁滞原因而引起的功率损耗 涡流损耗 Pe 当铁心中磁通发生变化时 在铁心内引起感应电动势和电流 即涡流 由于涡流在铁心中造成的功率损耗 图1 22变压器铁芯中的涡流损耗及改善措施 图1 23转速记原理 应用 五 电磁铁电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁 再由衔带动控制触点闭合 断开或衔铁的动作可使其它机械装置发生联动 当电源断开时 电磁铁的磁性随着消失 衔铁或其它零件即被释放 电磁铁可分为线圈 铁心及衔铁三部分 如图1 24所示的是某种电磁铁的结